传热学V4-第十章_传热分析与热交换器计算.ppt

第十章传热过程分析与换热器的热计算 传热学HeatTransfer 10 1传热过程的分析与计算 传热过程 热量由壁面的一侧流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程 仅包含壁面两侧流体的温度 k 总传热系数 为什么引入传热过程和传热系数的概念 对于不同的传热过程 k的计算公式不同 平壁圆管肋壁带保温层的圆管 传热系数k和冷热流体的平均温差 t是传热过程分析的关键 传热学HeatTransfer 10 1传热过程的分析与计算 通过平壁的传热 W m2 K 说明 h1和h2的计算采用对流换热表面传热系数计算公式 计及辐射时对流换热系数采用复合换热表面传热系数ht 传热学HeatTransfer 10 1传热过程的分析与计算 通过圆管的传热 热阻分析法适用范围 一维 稳态 无内热源 以圆管内侧面积为基准 以圆管外侧面积为基准 常用 2 31 热流密度q const 传热学HeatTransfer 10 1传热过程的分析与计算 通过平肋壁的传热 稳态 无内热源情况下 热流量 const 1 2 3 肋面总效率 肋效率 肋片实际散热量 传热学HeatTransfer 10 1传热过程的分析与计算 通过平肋壁的传热 稳态 无内热源情况下 热流量 const 工程应用以光侧面积Ai为基准 肋化系数 未加肋片的平壁 传热面积增加 肋侧热阻减小 肋片强化传热的机理 传热学HeatTransfer 10 1传热过程的分析与计算 通过圆管肋壁的传热 圆管壁 肋面总效率 圆管肋壁 圆管加肋后虽然由于do的增加使得导热热阻增加 但是由于肋片导热系数较大 且肋片增加的面积十分大 所以总热阻仍然显著降低 传热学HeatTransfer 10 1传热过程的分析与计算 通过圆管外加保温层的传热 圆管外加保温层与圆管外加肋壁形式上一致 均减小了对流换热热阻 而增加了导热热阻 圆管外加保温层后强化or削弱换热取决于减小的对流换热热阻与增加的导热热阻的平衡 判断依据 临界热绝缘直径dcr 圆管外加保温层后如果外径do大于dcr 则散热量随do的增加而减小 一般动力管道 如果小于dcr 则散热量随do的增加而增加 电线 例题10 2 平壁加保温层总是使热阻增加 散热量减小 球壁加保温层也存在临界热绝缘直径 传热学HeatTransfer 10 2换热器的类型 换热器 热交换器 用来使热量从热流体传递到冷流体 以满足规定工艺中对温度要求的装置 换热器的分类 按工作原理 传热学HeatTransfer 混合式换热器 冷 热流体介质直接接触 相互混合实现换热 特点 直接接触混合 传热传质同时进行 要求冷热流体互不相溶 易分离 应用 电站冷却塔 喷淋室 化工洗涤塔等 混合式换热器 冷却塔 蓄热式换热器 冷 热流体介质交替流过换热表面而实现换热 特点 冷热流体交替流过 传热过程非稳态 一般气体介质 应用 空气分离器 高炉 平炉等用来预热 预冷空气 10 2换热器的类型 传热学HeatTransfer 间壁式换热器 冷 热流体介质由壁面隔开 通过间壁实现换热 特点 冷热流体互不接触 按照流动方向分为顺流 逆流和交叉流 分类 套管式 管壳式 交叉流式 板式 螺旋板式等 套管式换热器 最简单的一种间壁式换热器 流体有顺流和逆流两种 适用于传热量不大或流体流量不大的情形 顺流 逆流 10 2换热器的类型 传热学HeatTransfer 间壁式换热器 冷 热流体介质由壁面隔开 通过间壁实现换热 特点 冷热流体互不接触 按照流动方向分为顺流 逆流和交叉流 分类 套管式 管壳式 交叉流式 板式 螺旋板式等 管壳式换热器 最主要的一种间壁式换热器 传热面由管束组成 管子两端固定在管板上 管束与管板再封装在外壳内 两种流体分管程和壳程 1 2型管壳换热器 壳程数 管程数 壳程数 壳侧流体流经壳体的个数 管程数 管内流体流动方向的改变次数 1 图10 9 10 2换热器的类型 为何加挡板 传热学HeatTransfer 间壁式换热器 冷 热流体介质由壁面隔开 通过间壁实现换热 特点 冷热流体互不接触 按照流动方向分为顺流 逆流和交叉流 分类 套管式 管壳式 交叉流式 板式 螺旋板式等 新型管壳式换热器 螺旋折流板换热器 折流杆换热器 10 2换热器的类型 常规的垂直折流板换热器阻力大 容易结垢 传热学HeatTransfer 间壁式换热器 冷 热流体介质由壁面隔开 通过间壁实现换热 特点 冷热流体互不接触 按照流动方向分为顺流 逆流和交叉流 分类 套管式 管壳式 交叉流式 板式 螺旋板式等 交叉流换热器 间壁式换热器的又一种主要形式 其主要特点是冷热流体呈交叉状流动 交叉流换热器又分管束式 管翅式 管带式 板翅式等 10 2换热器的类型 传热学HeatTransfer 间壁式换热器 冷 热流体介质由壁面隔开 通过间壁实现换热 特点 冷热流体互不接触 按照流动方向分为顺流 逆流和交叉流 分类 套管式 管壳式 交叉流式 板式 螺旋板式等 板式换热器 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成 冷热流体间隔地在每个通道中流动 其特点是拆卸清洗方便 故适用于含有易结垢物的流体 10 2换热器的类型 传热学HeatTransfer 间壁式换热器 冷 热流体介质由壁面隔开 通过间壁实现换热 特点 冷热流体互不接触 按照流动方向分为顺流 逆流和交叉流 分类 套管式 管壳式 交叉流式 板式 螺旋板式等 螺旋板式换热器 换热表面由两块金属板卷制而成 优点 换热效果好 缺点 密封比较困难 10 2换热器的类型 传热学HeatTransfer 10 3换热器中传热过程的平均温差 平均温差 tm 回顾P 245恒壁温下管内强制对流换热换热量的计算 WHY 换热器中 冷热流体温度沿换热面是不断变化的 其局部的换热温差也是沿程变化 而利用牛顿冷却公式计算换热量时用总面积的平均温差 tm 其与换热器的型式和冷热流体的流动方向均有关 Hot Cold t 传热学HeatTransfer 10 3换热器中传热过程的平均温差 平均温差的推导 基本假设 冷热流体的质量流量 比热容以及传热系数都是常数 换热器无散热损失 热流体放热 冷流体吸热 忽略换热面流动方向导热 当地温差随局部换热面积的变化 沿整个换热面积进行积分平均 平均温差的推导 基本思路 传热学HeatTransfer 平均温差的推导 套管式换热器 10 3换热器中传热过程的平均温差 传热学HeatTransfer 对数平均温差 算术平均温差 进 出口流体温差中之大者 进 出口流体温差中之小者 算术平均温差相当于冷热流体沿程温度线性变化 对数平均温差 冷热流体温度曲线间面积 10 3换热器中传热过程的平均温差 传热学HeatTransfer 间壁式换热器换热量计算中平均温差的计算 套管式 板式 螺旋板式换热器 直接用对数平均温差 注意顺流 逆流 顺流 逆流 管壳式 交叉流式换热器 逆流布置时的对数平均温差 小于1的修正系数 ctf counter flow 表示了某种流动型式接近逆流的程度 一般设计要求 0 9图10 23 10 26分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的 相同进出口温度下 顺流的平均温差最小 逆流的平均温差最大 尽量采用逆流布置 10 3换热器中传热过程的平均温差 传热学HeatTransfer 10 4间壁式换热器的热计算 换热器的热计算类型 设计计算 计算换热面积 校核计算 计算流量 进出口温度 传热学HeatTransfer 传热方程式 热平衡方程式 对数平均温差 1 2 3 已知 6个变量中的5个求 kA计算步骤 1 选择换热器型式 初步布置换热面 并计算总传热系数k 2 根据给的条件 由方程2求出6个变量中未知的1个 以及传热量 3 利用方程3计算所选型式换热器的对数平均温差 0 8 4 利用方程1计算传热面积A 5 校核流动阻力 LMTD 设计计算 10 4间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD 传热学HeatTransfer 传热方程式 热平衡方程式 对数平均温差 1 2 3 已知 两者之一 两者之一求 另外两个温度计算步骤 1 假设其中一个未知温度 由方程2计算另外一个未知温度及传热量 2 利用方程3计算所选型式换热器的对数平均温差 3 利用方程1计算传热量 4 步骤1得到的传热量 计算步骤4的传热量 重新假定温度迭代 5 步骤1 4传热量偏差 2 5 OK LMTD 校核计算 10 4间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD 传热学HeatTransfer 传热方程式 热平衡方程式 对数平均温差 1 2 3 已知 kA 两者之一 四者之三求 另外一个温度和一个qmc计算步骤 课后思考 LMTD 校核计算 利用LMTD法进行换热器的校核计算一般需要迭代 NTU法 10 4间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD 传热学HeatTransfer 10 4间壁式换热器的热计算 效能 传热单元数法 NTU 换热器的效能 换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比 1 实际换热量 理想换热器最大可能的换热量 热容量小的流体出口温度 另一种流体的入口温度 分母 冷热流体的进口温差 分子 冷热流体进出口温差中的大者 传热学HeatTransfer 换热器的效能 换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比 1 基于 NTU法的实际换热量 只需冷热流体的进口温差 如何计算 顺流 逆流 传热单元数 两种特殊情况 有相变 冷热流体qmc相等 10 4间壁式换热器的热计算 效能 传热单元数法 NTU 传热学HeatTransfer 基于 NTU法的设计计算 已知 4个温度中的3个求 kA计算步骤 1 选择换热器型式 初步布置换热面 并计算总传热系数k 2 由热平衡方程计算未知的温度 计算 3 查图得到NTU 4 根据NTU定义计算换热面积A 5 校核流动阻力 10 4间壁式换热器的热计算 效能 传热单元数法 NTU 传热学HeatTransfer 基于 NTU法的校核计算 已知 求 计算步骤 1 假定出口温度 计算总传热系数k 2 计算NTU 3 查图得到 4 根据计算换热量 5 由 计算出口温度 6 迭代计算至传热量偏差 2 5 OK 10 4间壁式换热器的热计算 效能 传热单元数法 NTU 传热学HeatTransfer NTU法与LTMD法的比较 校核计算中均需要假设温度 NTU法假设的出口温度对传热量 的影响不是直接的 而是通过定性温度 影响总传热系数 从而影响NTU 并最终影响 值 而平均温差法的假设温度直接用于计算 值 显然 NTU法对假设温度没有平均温差法敏感 这是该方法的优势 LMTD法可以计算 从而简便有效的评估换热器不同流动型式的优劣 制冷低温行业一般用 NTU法 电站锅炉行业一般用LMTD法 10 4间壁式换热器的热计算 传热学HeatTransfer 10 4间壁式换热器的热计算 换热器的结垢与污垢热阻 换热器长期运行后换热面覆盖污垢层使得传热系数减小 效能下降 k 有污垢后的换热面的传热系数 k0 洁净换热面的传热系数 m2 K W 污垢热阻 管壳式换热器单侧污垢热阻查表10 1 10 4 管壳式换热器双侧污垢后总传热系数 以外表面积Ao为基准 传热学HeatTransfer 10 5热量传递过程的控制 强化与削弱 实质 一定温差下增加传热量 并减少金属消耗和阻力损失 目的 A tm一定时增加k来增加 tm一定时增加k来减小A 重点 对流和辐射换热 特别是对流换热 传热的强化 传热的削弱 隔热保温 传热学 实质 一定温差下增加热阻 减少传热量 目的 减小热量 冷量 损耗 节能 冰箱 空调 保持温度恒定 减小温度波动 提高低温下外表面温度 避免结霜 防止温度不均匀引起的热应力 热工作环境下的人员隔热保温 重点 导热和辐射换热 采用k很小的绝热材料 增加导热热阻 遮热罩增加辐射热阻 减小表面发射率 保温效率 重点 传热学HeatTransfer 强化传热 增加传热系数 增加传热面积 肋片 增加温差 逆流布置 强化传热的原则 针对传热环节中热阻最大的环节采取措施 一般均为对流换热热阻 传热过程中两侧流体对流换热系数差别大时 在h小的一侧加肋片 传热过程中两侧流体的Ah接近时 可以同时采取强化措施 双侧强化管 必须综合考虑强化传热的效果 流动阻力 经济性成本和运行费用等 强化传热的措施 从减小导热热阻和辐射热阻角度出发 减小导热热阻 增加壁面导热系数 减小壁厚 减小污垢热阻 水处理 定期清洗 减小辐射热阻 包括表面辐射热阻和空间辐射热阻 例如增加表面发射率 10 5热量传递过程的控制 强化与削弱 传热学HeatTransfer 强化传热的措施 从减小对流热阻的角度出发 单相对流换热 破坏和减薄边界层厚度 增加流动扰动和湍流度 凝结换热 珠状凝结 减薄液膜 加速液膜排出 沸腾换热 增加汽化核心数 对流换热的影响因素 对流换热的实验关联式 对流换热的物理机制 流动状况 增加流速 强制对流 相变 换热面形状尺寸及表面状况 短管 小直径管 弯管 肋片管 增加表面粗糙度 改变表面涂层实现珠状凝结等 流体的物性 将风冷变为水冷 沸腾时水中加盐颗粒等 圆管内强制对流充分发展段 10 5热量传递过程的控制 强化与削弱 传热学HeatTransfer 强化传热的具体方法 无源技术 被动技术 除了输送传热介质的功率消耗外 无需附加动力 涂层表面 粗糙表面 图10 37 扩展表面 图10 38 扰流元件 图10 40 涡流发生器 图10 41 螺旋管 图10 41 添加物 射流冲击换热有源技术 主动式技术 需要外加的动力 对换热介质做机械搅拌 使换热表面振动 使换热流体振动 将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合 将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走 10 5热量传递过程的控制 强化与削弱 传热学HeatTransfer 威尔逊图解法确定传热过程分热阻及污垢热阻 管壳式换热器 管内流动为充分发展的旺盛湍流 威